物理教學培養論文

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[論文關鍵詞]物理教學計算機教學

[論文摘要]物理學與計算機科學關系密切、互相促進、共同發展，對我們今天的物理教學提出了更新更高的要求，物理學的教學內容可以結合計算機教學作一些思考和嘗試，以適應新形勢的要求。

一、物理學與計算機的密切關系

電子計算機是因解決物理問題的需要而產生的，二次大戰期間為了快速計算彈道，被公認為世界第一臺電子計算機ENIAC于1946年研制成功[1]，萬維網的出現是因歐洲核物理學家們進行學術交流的需要而設計出來的。由此可見，計算機與物理學的關系是非常密切的，物理學的發展促成了計算機的產生與發展，計算機的出現是二十世紀最偉大的科學技術成就之一，它延伸了人們的思維能力，成功地解決了很多物理、數學等方面的難題，沒有計算機就不可能準確計算出火箭和衛星的軌道位置、就沒有今天的航天成就，計算機應用跨越各個學科，在工業技術、企業管理、情報信息處理、國民教育等領域引起深刻的變革，在今天幾乎沒有哪一個學科能夠離開計算機的應用。

作為孕育計算機誕生與發展的物理學，如果說早期物理學應用計算機主要解決人們的計算速度、強度的技術問題，那么到了今天，計算機已在更深刻的層次上促進物理學的發展，由于在物理學很多領域中能夠找到精確解的理論問題已經不多了，剩下的是大量的復雜的非線性問題，對這些問題的分析、預測和求解離開計算機，人們幾乎無能為力了。另外一個方面，在計算機出現之前，人們只能夠通過真實的實驗來驗證物理理論的正確性、工程中也往往需要耗費巨額資金做實驗來探測某些數據和驗證方案的可行性。而今天很多實驗可以通過計算機仿真實驗來完成，達到與真實的實驗完全相同的效果，成本低廉且安全環保，用計算機來進行科學實驗是科學技術史上革命性的變化。

物理學與計算機科學互相促進、共同發展的情況對我們今天的物理教學提出了更新更高的要求，物理學的教學內容、教學手段和教學方法必須與時俱進，適應新形勢的要求。

二、物理教學中結合計算機教學的一些思考

大學物理課內容很多，結合不同的專業，在保證教學大綱的基本要求的前提下，內容上作一些必要的取舍，針對計算機科學技術和應用等相關專業，教學內容上適應地向專業傾斜，使基礎課更好地為專業課服務，明確基礎課的服務目標，讓學生明了物理課程對后續專業課程的重要性，提高學習的積極性和主動性，以取得良好的學習效果，具體做法以下幾方面進行：

（一）精選典型物理問題用計算機編程求解

大學物理課程一般在大一的下學期和大二的上學期進行，而大多數專業的計算機程序設計課程也恰好在此階段展開，這就為物理課與計算機程序設計課相結合創造了有利條件。根據物理教學的不同階段，可以精選一些典型的物理問題用計算機編程進行數值求解。例如在力學部分講拋物運動時，先按教材講授忽略空氣阻力時的運動方程，求出精確解，然后補上空氣阻力二次項，方程就變成非線性的了，讓學生體驗含有空氣阻力時實際問題求解的難度，再介紹計算機數值計算的方法與思路，給出編程示范，作為綜合習題讓學生完成程序設計與調試，并與計算機程序設計課教師協商，程序調試可利用計算機上機課時間完成，通過這種方式，理論聯系實際，既培養鍛煉了學生解決實際問題的能力，又提高了學生學習物理課和學習計算機程序設計課雙方面的積極性。又例如在振動學章節用計算機演示單擺大角度強迫振動的混沌效應；在熱力學章節用計算機模擬二維布朗粒子運動；在電磁學章節用計算機編程求解一般位置的電場和磁場分布情況，像載流圓形線圈，根據畢粵--薩伐爾定律和對稱性，教材上只給出了求線圈軸線上點的磁感應強度，但對其它位置的磁場分布情況計算就很難了，因此可在課堂上簡單介紹計算機積分法，要求學生在此基礎上利用計算機完成求解圓形電流非軸線上點的磁場分布情況，鞏固和加深對物理定律及其適用范圍的理解與把握，學習和體會計算機編程的方法與技巧。

通過精選少量典型物理習題利用計算機編程進行數值求解，以小論文或綜合作業的形式布置練習，具體實施中充分征求計算機相關教師的意見并請求協助和參與實施，加強不同學科、不同課程之間的交流與協作，達到事半功倍的雙贏的教學效果，充分體現大學物理課的基礎地位與作用，體現計算機對物理學習和研究的重要性，知道這兩門課程關系如此密切，學習的認真態度和積極性自然就得到了加強和提高。

（二）部分物理實驗利用計算機仿真課件來進行

隨著計算機仿真技術的迅速發展，大學物理的計算機仿真實驗也得到普遍的關注與認同，成為大學物理實驗的一個新的重要手段和工具，一些院校已開發出很多有特色的大學物理仿真課件，為我們在實驗方面實施物理教學與計算機教學結合創造了另一個有利條件?？蓪⑷课锢韺嶒瀮热莘殖扇齻€部分:一部分按原計劃實施，一部分實驗由計算機仿真實驗取代，還有一部分作為對比實驗，既按真實實驗進行，又做仿真實驗進行對比。將仿真實驗課件安裝在機房和校園網上，方便學生操作。仿真實驗雖然不可完全替代真實實驗，但真實實驗儀器因結構復雜精密、價格昂貴，不允許學生反復操作、隨意拆裝，以剖析儀器性能結構。仿真實驗恰好在這方面能彌補真實實驗儀器的不足，豐富了物理實驗的手段與方法，拓廣了學生的視角，也為以后計算機的應用開發掌握一些基本概念。

（三）結合電磁理論和量子理論章節內容，介紹計算機軟硬件的發展前景

通過上面的一些做法使學生了解了計算機對物理學習和研究的重要性，但反過來物理學理論與技術的發展對計算機軟硬件的發展所起的關鍵作用，在物理教學的相關內容中也應注意作些介紹，事實上每一代計算機的產生與發展都與當時的物理理論與技術水平密切相關。在電磁學和量子理論章節的教學中適當介紹一些與計算機相關的理論與技術知識，如量子信息、量子密碼和量子計算機的原理、研究方向和技術難點，目前的發展狀況等，讓學生看到物理學理論對計算機軟硬件發展的關鍵作用，以強調物理課程對后續專業課程的重要性、強化物理課教學目標的針對性，進一步從專業的客觀需要方面促進學生提高學習物理課的自覺性和主動性。